Μέθοδος σχεδιασμού ελατηρίου βαλβίδας

Ο σχεδιασμός του ελατηρίου βαλβίδας είναι εξίσου σημαντικός για την απόδοση του συστήματος κινητήρα με τον σχεδιασμό του έκκεντρου. Οι λειτουργίες του ελατηρίου βαλβίδας περιλαμβάνουν την αποτροπή της αιώρησης της βαλβίδας από την έδρα της βαλβίδας υπό φορτία πίεσης αερίου και τον έλεγχο της κίνησης της βαλβίδας για την πρόληψη του διαχωρισμού της σειράς βαλβίδων. Ο σχεδιασμός του ελατηρίου βαλβίδας επηρεάζει την τάση του έκκεντρου, την τριβή της σειράς βαλβίδων και το πτερυγισμό του ελατηρίου. Τα ελατήρια βαλβίδας ενός κινητήρα είναι συνήθως ανοιχτά-ελικοειδή ελατήρια συμπίεσης με κλειστά άκρα. Οι περισσότεροι κινητήρες χρησιμοποιούν-ελατήρια σταθερού ρυθμού, αν και μερικοί χρησιμοποιούν ελατήρια μεταβλητού-ρυθμού. Για κινητήρες ντίζελ χαμηλότερης ταχύτητας, συνήθως αρκεί ένας σχεδιασμός ενός ελατηρίου, αλλά μερικές φορές απαιτείται σχεδιασμός διπλού ελατηρίου με ελατήριο απόσβεσης ή εσωτερικό ελατήριο για να μειωθεί η σοβαρότητα του πτερυγίσματος του ελατηρίου της βαλβίδας. Ο σχεδιασμός του ελατηρίου βαλβίδας είναι μια πολύ περίπλοκη εργασία. Χρησιμεύει ως παράδειγμα για την απεικόνιση των αρχών του σχεδιασμού του συστήματος κινητήρα για δύο ή τρεις λόγους. Πρώτον, η αναλυτική μέθοδος σχεδιασμού ελατηρίου δείχνει τη σύνδεση μεταξύ των παραμέτρων σχεδιασμού εξαρτημάτων και των παραμέτρων σχεδιασμού συστήματος. Δεύτερον, η αναλυτική μέθοδος σχεδιασμού ελατηρίου δείχνει ότι το ίδιο πρόβλημα σχεδίασης μπορεί να διατυπωθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους: ο ένας είναι να το αντιμετωπίσουμε ως ντετερμινιστική λύση και ο άλλος να το λύσουμε ως πρόβλημα βελτιστοποίησης. Στη μαθηματική κατασκευή του προβλήματος βελτιστοποίησης, τόσο η αντικειμενική συνάρτηση όσο και η συνάρτηση περιορισμού παρατίθενται ως παραδείγματα ρητών συναρτήσεων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι σε άλλους τομείς του σχεδιασμού του συστήματος κινητήρα (όπως η απόδοση κύκλου, ο σχεδιασμός έκκεντρου και η δυναμική του συστήματος βαλβίδων), οι λειτουργίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή βελτιστοποίησης είναι συνήθως πιο περίπλοκες σιωπηρές λειτουργίες. Τρίτον, η αναλυτική μέθοδος σχεδίασης ελατηρίου δίνει ένα παράδειγμα χρήσης μεθόδων γραφικού σχεδιασμού για την κατασκευή διαγραμμάτων σχεδίασης σάρωσης παραμέτρων. Αυτά τα τυπικά διαγράμματα παραμέτρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντιμετώπιση πολυδιάστατων-προβλημάτων σχεδιασμού που συναντώνται συχνά στο σχεδιασμό του συστήματος κινητήρων ντίζελ.
Στον σχεδιασμό του ελατηρίου βαλβίδας, τα γνωστά δεδομένα εισόδου περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
① Μέγιστη ανύψωση βαλβίδας.
② Δεδομένου του μήκους εγκατάστασης του ελατηρίου.
③ Απαιτούμενη προφόρτιση ελατηρίου
④ Απαιτούμενη ακαμψία ελατηρίου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η προφόρτιση και η ακαμψία του ελατηρίου είναι παράμετροι σχεδιασμού σε επίπεδο συστήματος κινητήρα, οι οποίες πρέπει να πληρούν τις απαιτήσεις της μέγιστης επιτρεπόμενης δύναμης ελατηρίου και καταπόνησης εκκέντρου, της βαλβίδας εξαγωγής μη-αιωρούμενης και της σειράς βαλβίδων μη-ιπτάμενων. Υπάρχει μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ του σχεδιασμού του ελατηρίου βαλβίδας και του σχεδιασμού του έκκεντρου. Εάν είναι δύσκολο να βρεθεί μια λύση στο σχεδιασμό ελατηρίου, αυτά τα δεδομένα εισόδου πρέπει να τροποποιηθούν.
Στο σχεδιασμό του ελατηρίου βαλβίδας, οι ακόλουθες παράμετροι υπολογίζονται δεδομένα εξόδου:
① Βασικές ή ανεξάρτητες παράμετροι σχεδίασης ελατηρίου (δηλ. μέση διάμετρος ελατηρίου, διάμετρος σύρματος πηνίου ελατηρίου, αριθμός πηνίων εργασίας).
② Προκύπτουσες παράμετροι σχεδίασης (π.χ. μήκος χωρίς ελατήριο, μέγιστο μήκος συμπίεσης, συμπιεσμένο μήκος, ελεύθερο διάκενο μεταξύ των πηνίων, συμπαγές διάκενο μεταξύ πηνίων στη μέγιστη συμπίεση, φυσική συχνότητα ελατηρίου και σειρά πτερυγισμού, μέγιστο φορτίο ελατηρίου, μέγιστη δύναμη στρέψης ελατηρίου). Οι βασικές παράμετροι σχεδίασης ελατηρίου καθορίζουν την ακαμψία του ελατηρίου.
Ορισμένες παράμετροι εξόδου υπόκεινται σε περιορισμούς σχεδιασμού. Για παράδειγμα, το μήκος εγκατάστασης και η μέση διάμετρος του ελατηρίου περιορίζονται από τον χώρο συσκευασίας. Η στρεπτική τάση του ελατηρίου στη μέγιστη συμπίεση του ελατηρίου και στο συμπιεσμένο μήκος περιορίζεται από τη διάρκεια ζωής της κόπωσης του ελατηρίου, την αντοχή και το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο τάσης. Οι περιορισμοί στην προστασία από πτερυγισμό ελατηρίου επιτυγχάνονται ελέγχοντας το στερεό διάκενο και τη φυσική συχνότητα του ελατηρίου. Η σειρά πτερυγίσματος ελατηρίου αναφέρεται στην αναλογία της φυσικής συχνότητας του ελατηρίου προς τη συχνότητα λειτουργίας του κινητήρα. Για να διασφαλιστεί ότι το ελατήριο δεν κυματίζει έντονα κατά τη λειτουργία. Η φυσική συχνότητα του ελατηρίου της βαλβίδας πρέπει συνήθως να είναι τουλάχιστον 13 φορές μεγαλύτερη από τη συχνότητα λειτουργίας του κινητήρα. Δηλαδή, ελπίζουμε ότι η τάξη του πτερυγίσματος ελατηρίου είναι υψηλότερη από 13. Η ανάλυση φυσικής συχνότητας ελατηρίου δείχνει ότι εάν το ελατήριο είναι πολύ ευαίσθητο σε μία από τις κυρίαρχες αρμονικές του προφίλ έκκεντρου, υπάρχει μια τάση για φτερούγισμα. Σε αυτήν την περίπτωση, ο σχεδιασμός του έκκεντρου ή του ελατηρίου πρέπει να τροποποιηθεί. Μερικές φορές η μεταβλητή ακαμψία ή τα ένθετα ελατήρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αλλαγή της συχνότητας του ελατηρίου για να μετριαστεί το πρόβλημα του πτερυγίσματος.
Η σχεδίαση ελατηρίου είναι ένα πολυ-πρόβλημα παραμέτρων που μπορεί να αντιμετωπιστεί με γραφικό τρόπο για να εξεταστούν οι τάσεις ευαισθησίας παραμέτρων. Ο στόχος της βελτιστοποίησης του σχεδιασμού του ελατηρίου βαλβίδας είναι η μεγιστοποίηση της φυσικής συχνότητας του ελατηρίου για τη μείωση των κραδασμών του ελατηρίου ενώ πληρούνται οι ακόλουθοι περιορισμοί:
① Προφόρτιση ελατηρίου και ακαμψία ελατηρίου βαλβίδας που απαιτούνται από το σύστημα κινητήρα.
② Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση ελατηρίου.
③ Κατάλληλο φυσικό διάκενο για τον έλεγχο του πτερυγίσματος του ελατηρίου.